膜下滴灌棉田土壤氮素變化特征及合理施氮量

索俊宇，馬興旺，龔雙鳳，楊 濤，牛新湘，陳寶燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052；2．新疆農(nóng)科院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091；3．烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)中心,烏魯木齊 830000)

膜下滴灌棉田土壤氮素變化特征及合理施氮量

索俊宇1，2，馬興旺2，龔雙鳳1，2，楊 濤2，牛新湘2，陳寶燕3

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830052；2．新疆農(nóng)科院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091；3．烏魯木齊市米東區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)中心,烏魯木齊 830000)

棉花；膜下滴灌；土壤氮素；施氮量

新疆地處歐亞大陸腹地，熱量豐富，光照時(shí)間、自然條件十分適宜棉花生長(zhǎng)，是中國著名的棉花高產(chǎn)區(qū)之一。近10年新疆棉花呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì),新疆植棉面積和總產(chǎn)量占全國的比例高達(dá)38.9%和53.9%，在面積、總產(chǎn)、單產(chǎn)等方面連續(xù)多年位居全國第一[1-2]。施用氮肥是提高新疆棉花產(chǎn)量的重要措施，化學(xué)氮肥增加棉花產(chǎn)量占棉花單產(chǎn)的33.5%，最高占到單產(chǎn)的56.1%[3]。然而，過量施用的氮肥通過土壤氨揮發(fā)、硝化-反硝化、徑流與淋洗等途徑損失[4]，造成土壤、大氣、地下水污染等環(huán)境污染問題[5-6]。因此，如何兼顧氮肥施用的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境安全，尋找棉花高產(chǎn)和環(huán)境安全的最佳施氮量，成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題。不少研究通過棉花各生育期養(yǎng)分吸收量來確定施氮量。潘薇薇[7]研究表明，棉花從苗期到現(xiàn)蕾期35 d，養(yǎng)分吸收0.181 8 g，占養(yǎng)分吸收積累總量的4.15%；從現(xiàn)蕾到開花期27 d，養(yǎng)分吸收占總量的27.6%；開花期到吐絮期66 d，養(yǎng)分積累占總量的66.42%，在此基礎(chǔ)上確定合理的施氮量。還有研究通過反射儀法[8-9]、地面數(shù)字圖像技術(shù)法[10-11]、高光譜遙感監(jiān)測(cè)法[12]、葉綠素計(jì)SPAD無損診斷技術(shù)[13-15]等診斷棉花氮素營養(yǎng)及確定棉花等作物的施氮量?；诎踩耐寥罒o機(jī)氮?dú)埩袅颗c棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量雙贏的膜下滴灌棉田施氮技術(shù)研究較少，本研究以不同施氮水平下土壤無機(jī)氮總儲(chǔ)量和氮素盈素余率的變化規(guī)律為切入點(diǎn)。在優(yōu)化氮肥用量的基礎(chǔ)上，采用田間試驗(yàn)，研究提出南疆巴州地區(qū)棉花生產(chǎn)化學(xué)氮肥的合理施用量，為有效減少農(nóng)業(yè)面源污染，保障生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

于新疆巴州庫爾勒市包頭湖農(nóng)場(chǎng)新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花育種基地2號(hào)試驗(yàn)地(85°52′E，41°41′N)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)屬于典型的大陸性干旱氣候，年平均降雨量為56.2 mm，年平均蒸發(fā)量2 497.4 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 878 h，≥10 ℃的積溫4 252.2 ℃，無霜期205 d，地下水位2.0～2.5 m，為純灌溉農(nóng)業(yè)，植棉規(guī)模、技術(shù)及產(chǎn)量都具有典型代表性。試驗(yàn)于2013年4月至10月和2014年4月至10月進(jìn)行。前茬作物為棉花，供試土壤為砂壤土，屬于中等肥力土壤，耕層土壤0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)為8.1 g/kg，速效氮為43.2 mg/kg，速效磷為19.9 mg/kg，速效鉀為129 mg/kg，pH為7.9。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)以不施化學(xué)氮肥、有機(jī)肥為對(duì)照(N0)，以施氮量為純氮(尿素含N 46%)238 kg/hm2(N1)、317 kg/hm2(N2)、395 kg/hm2(N3)、476 kg/hm2(N4)、634 kg/hm2(N5)共6個(gè)處理，所有處理施純P2O5186 kg/hm2(重過磷酸鈣含P2O546%)，K2O為68 kg/hm2(硫酸鉀含K2O 為40%)，所有處理全部磷肥和鉀肥作基肥，磷肥和鉀肥混勻后于播前撒施翻入土壤，氮肥的40%作為基肥，60%作為追肥進(jìn)行施用。小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為33.3 m2。

滴灌方式下施肥方式為隨水滴施。采用棉花膜下滴灌一膜單管方式，覆膜種植，行距(10+66+10+66+10)cm，株距10 cm，1膜6行精量播種，雙膜覆蓋。2013-04-20播種、2013-04-29出苗，2014-04-18播種、2014-04-28出苗。灌溉方式為膜下有壓滴灌，潛水泵抽水，灌溉定額為4 800 m3/hm2，從6月中旬蕾期開始灌溉，用水表控制灌溉量，其他管理技術(shù)與當(dāng)?shù)叵嗤?/p>

1.2.2 試驗(yàn)方法 土壤樣品采集與測(cè)定：采取各小區(qū)基礎(chǔ)土壤土樣、生育期土樣，以及收獲后土樣時(shí)，每個(gè)小區(qū)采集5鉆土壤樣品，每20 cm一個(gè)樣品分層混合制樣，采樣深度為0～100 cm。取新鮮土壤樣品200 g冷凍保存。測(cè)定土壤硝態(tài)氮時(shí), 先將新鮮土壤樣品解凍混勻過2 mm篩，稱取12 g土樣放入振蕩瓶,加入100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提,振蕩1 h后過濾,濾液冷凍保存。測(cè)定前將浸提液解凍 ,用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)[16-17]。

植株樣品采集與測(cè)試指標(biāo)：田間小區(qū)試驗(yàn)測(cè)定地上部植株含氮量時(shí)，剪取植株子節(jié)以上部分，把植株分解成小塊，取3棵棉株在105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒量，稱量后粉碎樣品，用濃H2SO4-H2O2法制備待測(cè)液后，用半微量蒸餾凱氏定氮法[18]分析含氮量質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

棉花產(chǎn)量的測(cè)定：棉花吐絮期調(diào)查小區(qū)總鈴數(shù)、總株數(shù)，計(jì)算單株鈴數(shù)和每公頃收獲株數(shù)；各小區(qū)分3 次取棉株上、中、下部位各50朵，測(cè)定單鈴質(zhì)量。公頃籽棉產(chǎn)量=公頃收獲株數(shù)×單鈴質(zhì)量×單株鈴數(shù)×0.859。

1.2.3 指標(biāo)計(jì)算公式 養(yǎng)分投入僅包括化肥施入量，不考慮降水、灌溉、大氣沉降等帶入的養(yǎng)分。養(yǎng)分支出僅包括因作物收獲而帶出的養(yǎng)分，不考慮因淋洗、揮發(fā)和反硝化造成的養(yǎng)分損失。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下[19-20]：

土壤硝態(tài)氮存儲(chǔ)量=土層厚度×土壤體積質(zhì)量×收獲期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/10

土壤銨態(tài)氮存儲(chǔ)量=土層厚度×土壤體積質(zhì)量×收獲期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)/10

土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量=土壤硝態(tài)氮存儲(chǔ)量+土壤銨態(tài)氮存儲(chǔ)量

氮素養(yǎng)分表觀平衡值=養(yǎng)分投入量-作物攜出量

養(yǎng)分盈余率=氮素養(yǎng)分表觀平衡值/作物攜出量×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS 19.0等對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及均值比較、方差分析和相關(guān)性分析等。

2 結(jié)果與分析

2.2 膜下滴灌棉田土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量與施氮量的關(guān)系

由圖2中施氮量與0～100 cm土層無機(jī)氮儲(chǔ)量的相關(guān)關(guān)系可以看出，隨著施氮量的增加，0～100 cm土層內(nèi)無機(jī)氮儲(chǔ)量也不斷增加，2013年無機(jī)氮儲(chǔ)量與施氮量相關(guān)系數(shù)(R2)達(dá)到0.850 9，2014年R2達(dá)到0.851 3。因此，選擇優(yōu)化施氮量，有利于降低棉田土壤無機(jī)氮的殘留量，從而降低硝態(tài)氮向90 cm以下土壤淋洗的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 棉花收獲期 0～100 cm土層硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖2 1 m土層無機(jī)氮儲(chǔ)量與施氮量關(guān)系

2.3 施氮量與氮素養(yǎng)分平衡值的關(guān)系

對(duì)2013年和2014年的施氮量和棉花產(chǎn)量、氮素養(yǎng)分平衡值分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖3。棉花產(chǎn)量和施氮量符合二次函數(shù)變化關(guān)系。當(dāng)2013年、2014年施氮量分別低于375.54 kg/hm2、357.61 kg/hm2時(shí)棉花產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加；當(dāng)施氮量分別高于375.54 kg/hm2、357.61 kg/hm2時(shí)，棉花產(chǎn)量增幅不顯著，氮素淋溶到環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)增大。氮素養(yǎng)分平衡值和施氮量呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系。綜合2 a試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)施氮量小于357.61～375.54 kg/hm2時(shí)，養(yǎng)分平衡值越高產(chǎn)量也越高，當(dāng)施氮量等于357.61～375.54 kg/hm2時(shí)，氮素投入量和攜出量基本持平；當(dāng)施氮量高于357.61～375.54 kg/hm2時(shí)，養(yǎng)分平衡值增加，產(chǎn)量增加不明顯，氮素投入量的增幅逐漸大于氮素?cái)y出量的增幅，氮素殘留污染土壤環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大。綜合考慮棉花產(chǎn)量和氮素養(yǎng)分平衡值2個(gè)因子對(duì)環(huán)境的影響，試驗(yàn)區(qū)在單個(gè)種植季中，氮肥合理投入量為357.61～375.54 kg/hm2。

2.4 施氮量與氮素盈余率的關(guān)系

采用線性函數(shù)模型對(duì)2013年、2014年氮素盈余率和施氮量進(jìn)行擬合。從圖4可以看出，隨著施氮量的增加，氮素盈余率呈顯著增加趨勢(shì)。當(dāng)?shù)适┯昧繛?317 kg/hm2時(shí)，氮素盈余率為16%。此后，隨著施氮量的增加，氮素盈余率增幅減緩。根據(jù)南疆棉花生產(chǎn)實(shí)際情況，按照最高產(chǎn)量施氮量的90%來計(jì)算試驗(yàn)區(qū)棉花產(chǎn)量氮肥合理投入量下限，結(jié)果為285.30 kg/hm2。為保證棉花產(chǎn)量安全，將施氮量后移至最高產(chǎn)量施氮量的 125%處，作為氮肥合理投入量的上限，結(jié)果為396.25 kg/hm2。

圖3 產(chǎn)量、氮素養(yǎng)分平衡值與施氮量的關(guān)系

圖4 氮肥施用量與氮素盈余率的關(guān)系

3 討 論

土壤-作物體系的氮素平衡是評(píng)價(jià)氮肥合理施用與否的關(guān)鍵。施入氮肥和種植前上茬殘留無機(jī)氮是主要氮素輸入項(xiàng)，其次當(dāng)季礦化氮量，以及灌溉水中帶入小部分氮素；氮素的輸出主要包括地上部吸氮、土壤殘留無機(jī)氮和表觀損失，而土壤殘留無機(jī)氮是氮素?fù)p失的主要途徑[21]。施肥造成土壤硝態(tài)氮在各個(gè)剖面層次累積，但由于高頻率的灌水作用，累積的土壤硝態(tài)氮不斷向下層土壤淋洗直至到根區(qū)以下，發(fā)生淋失[22]。因此，施肥影響0～100 cm土壤硝態(tài)氮總累積大小，尤其是在地面灌模式下，大水大肥對(duì)土壤硝態(tài)氮的淋洗作用很強(qiáng)。本研究認(rèn)為，在滴灌方式下，隨著時(shí)間推移，高頻灌溉、施肥對(duì)土壤中硝態(tài)氮向深層土壤殘留累積有一定的推動(dòng)作用，這與已有研究結(jié)果相似。雖然滴灌方式下采用“少量多次”的灌溉，但多年持續(xù)的高頻灌水施肥，也存在對(duì)硝態(tài)氮向根區(qū)以下淋洗的風(fēng)險(xiǎn)。

馬騰飛等[23]研究表明，從0～100 cm 土層中硝態(tài)氮分布情況來看, 滴灌各施肥處理主要集中在40～60 cm，與本研究結(jié)果比較類似。胡明芳等[24]研究表明，施用氮肥可顯著提高各生育期0～40 cm土層土壤礦質(zhì)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且高氮處理>低氮處理。宮亮等[19]研究認(rèn)為，線性加平臺(tái)模型可以在保證產(chǎn)量不會(huì)過分降低的情況下使推薦施肥量較低。本研究表明，滴灌模式下，選擇優(yōu)化施氮量，有利于降低棉田土壤無機(jī)氮的殘留量，從而降低硝態(tài)氮向90 cm以下土壤淋洗的風(fēng)險(xiǎn)。

本試驗(yàn)通過研究施氮量與氮素養(yǎng)分平衡值的關(guān)系得到的氮肥合理投入量為357.61～375.54 kg/hm2，而通過施氮量與氮素盈余率的線性加平臺(tái)模型計(jì)算得到的氮肥合理投入量為285.30～396.25 kg/hm2，綜合考慮土壤環(huán)境安全和棉花經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，表明氮肥投入量合理有效的范圍為357.61～375.54 kg/hm2。這對(duì)新疆農(nóng)民通過膜下滴灌高效施肥，保護(hù)農(nóng)田土壤環(huán)境，取得環(huán)境和生態(tài)效益的雙贏有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

通過對(duì)棉田土壤中的無機(jī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/kg)、土壤無機(jī)氮儲(chǔ)量(1 m土體，kg/hm2)，以及氮素養(yǎng)分平衡值(mg/kg)、氮素盈余率(%)的計(jì)算分析比較，氮素養(yǎng)分平衡值與施氮量呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系，且相關(guān)性最好。氮素養(yǎng)分平衡值相對(duì)穩(wěn)定，適宜作土壤環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

滴灌方式下，隨著時(shí)間推移，高頻灌溉、施肥對(duì)土壤中硝態(tài)氮向深層土壤殘留累積有一定的推動(dòng)作用。選擇優(yōu)化施氮量，有利于降低棉田土壤無機(jī)氮的殘留量，從而降低硝態(tài)氮向90 cm以下土壤淋洗的風(fēng)險(xiǎn)。以棉花產(chǎn)量為指標(biāo)，通過施氮量與氮素養(yǎng)分平衡值的關(guān)系得到的氮肥投入量為357.61～375.54 kg/hm2。綜合考慮棉花高產(chǎn)和環(huán)境安全，南疆巴州棉區(qū)的氮肥合理投入量為285.30～375.54 kg/hm2。

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(責(zé)任編輯：史亞歌 Responsible editor:SHI Yage)

Variation Characteristics of Soil Nitrogen and Proper Nitrogen Rate in Cotton Field under Mulch-drip Irrigation

SUO Junyu1,2, MA Xingwang2, GONG Shuangfeng1,2, YANG Tao2, NIU Xinxiang2and CHEN Baoyan3

(1.Faculty of Grassland and Environment Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China; 2.Institute of Soil,Fertilizer and Water-saving, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091,China; 3.Urumqi Midong District Agricultural Products Quality and Safety Testing Center, Urumqi 830000,China)

Cotton; Drip-irrigated under film; Soil nitrogen; N application

SUO Junyu, female, master student.Research area: cotton nutrition and fertilization.E-mail:sjy3028695@163.com

YANG Tao, male, Ph.D,associate research fellow.Research area: cotton high water fertilizer use efficiency and management.E-mail:yangling_2008@sina.com

文獻(xiàn)類型和標(biāo)志代碼

日期：2017-05-22

2016-01-26

2016-03-24

國家科技支撐計(jì)劃(2014BAD09B04，2014BAD111302) ; 國家自然科學(xué)基金(41361067);新疆科技支撐項(xiàng)目 (201231102)。

索俊宇，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槊藁I養(yǎng)與施肥。E-mail：sjy3028695@163.com

楊 濤，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)槊藁ㄋ矢咝Ю门c管理。E-mail：yangling_2008@sina.com

S143；S562

A

1004-1389(2017)05-0738-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170522.0857.024.html

Received 2016-01-26 Returned 2016-03-24

Foundation item National Key Technology Support Program(No.2014BAD09B04,No.2014BAD111302); National Natural Science Fund (No.41361067); Sci-tech Support Program of Xinjiang (No.201231102).